Bài giảng kỹ thuật điện cao áp chương 5 nối đất chống sét

Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loạiđiện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối kích thước của các ddiện cực nối đất Trường hợp tổng quát, sơ đồ tương đương của +

CHƯƠ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT

5.1 Giới thiệu 5.2 Tính toán nối đ

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP

5.2 Tính toán nối đ 5.3 Lựa chọn phươ

CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG NỐI

Nối đất là đem các bộ phận bằng kim loại có nguy với hệ thống nối đất.

Tuỳ theo hiệu quả và nhiệm vụ người ta chia hệ thống

Nối đất làm việc

Có nhiệm vụ đảm bảo cho sự làm việc bình th

bị theo chế độ làm việc đã + nối đất trung tính máy biến áp, + nối đất của TU

+ nối đất trung tính của hệ thống trung tính nối

Nối đất an toàn

Có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho ng

vỏ Nối đất an toàn đuợc thực hiện bằng cách không mang điện (vỏ thiết bị

trên các vật này sẽ có xuất hiện không gây nguy hiểm cho ng

có mục đích để tản dòng sóng quá điện áp do phóng

ất trung tính máy biến áp,

ất trung tính của hệ thống trung tính nối đất

ảm bảo an toàn cho người khi cách điện bị hư hỏng hoặc thiết bị bị dò điện ra

uợc thực hiện bằng cách đem nối đất mọi bộ phận kim loại bình thường iện (vỏ thiết bị điện, các giá đỡ kim loại, chân sứ ) Khi cách điện bị hư hỏng trên các vật này sẽ có xuất hiện điện thế nhưng do có nối đất nên giữ đuực mức điện thế thấp không gây nguy hiểm cho người khi tiếp xúc với chúng

ể tản dòng điện sét sét Nó có nhiêm vụ hạn chế hình thành và lan truyền của iện áp do phóng điện sét gây nên Nó cúng có nhiệm vụ hạn chế hiệu điện thế giữa

Mọi mạng nối đất đều gồm các điện cực kim loại

điện trở nối đất là một số liệu rất quan trọng để tối

kích thước của các ddiện cực nối đất

Trường hợp tổng quát, sơ đồ tương đương của

+ điện trở r,

+ điện cảm L của bản thân điện cực,

+ điện trở tản R của môi trường xung quanh điện cực

+ điện dung C của các điện cực so với điểm thế bằng không.

bỏ qua điện trở tác dụng của các điện cực nối điện dung C của các điện cực so với đất vì dòng

Các tham số L và g phụ thuộc vào một số các yếu

L

loại chôn nằm ngang hoặc chôn thẳng đứng trong đất

tối để đảm bảo an toàn, phụ thuộc vào điện trở suất của đất và

Khi có một dòng điện mà sự biến thiên theo sét), điện cảm của các điện cực

+ Sau đó, ảnh hưởng của điện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên

+ ban đầu sẽ cản trở không cho dòng không đồng nhất theo thời gian và dọc theo chiều dài

khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều

khi dòng điện tản vào đất là dòng điện một chiều

bỏ qua ảnh hưởng của điện cảm L và tất cả hệ thống

Thời gian tồn tại quá trình quá độ phụ thuộc

T=Lgl

thời gian rất nhanh chạy qua hệ thống nối đất (dòng điện

iện cảm sẽ giảm dần và phân bố áp sẽ trở nên đều hơn.

ầu sẽ cản trở không cho dòng điện đi đến cuối, dẫn đến phân bố điện áp ồng nhất theo thời gian và dọc theo chiều dài điện cực

chiều hoặc dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, có thể thống nối đất có thể biểu diễn bởi điện trở tản Rt.

thuộc vào hằng số thời gian :

T=Lgl 2

Với dòng điện sét, tham số thể hiện nối đất đầu sóng f của dòng điện sét.

Nếu T<<f, khi dòng điện sét đạt giá trị cực một điện trở tản Trường hợp này tươ

nhưng có chiều dài không lớn lắm Ng

đối với các điện cực nối đất dài, hằng số thời gian th đạt giá trị cực đại, hiện tượng quá đ

trị số khá lớn so với điện trở tản Những loại nối dài)

điện trở nối đất phụ thuộc vào điện trở tản dòng điện xoat chiều (R) khác trị số

ất phụ thuộc tương quan giữa hằng số thời gian T và thời gian

ạt giá trị cực đại, quá trình quá độ đã kết thúc, nối đất thể hiện như ương ứng với các dạng điện cực nằm ngang hoặc thẳng đứng

ng có chiều dài không lớn lắm Người ta gọi những loại nối đất này nối đất tập trung

ất dài, hằng số thời gian thường đạt và vượt xa f và như vậy lhi dòng điện

độ vẫn chưa kết thúc Vì vậy nối đất thể hiện như một tổng trở Z có iện trở tản Những loại nối đất này nối đất phân bố tham số rải (nối đất kéo

suất của đất, kích thước và bố trí các điện cực Trị số điện trở

số tản dòng điện xung kích (RXK).

 Trong dải tần số bé

 Nối đất trong thực tế không phải là hoàn toàn cảm kháng phụ thuộc vào kích thước hình học và điện sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở

nối đất có thể coi là thuần trở và có thể tính toán cực, điều kiện lắp đặt và điện trở suất của đất điện trở tản dòng nối đất an toàn và nối đất làm việc Trong những tr

trường trong đất (E=.j với j là mật độ dòng điện và gây phóng điện trong đất.

điện sét, tổng trở này có thể rất khác với điện trở tính khác với trị số điện trở nối đất đo thông bằng

toàn thuần trở mà là một tổng trở gồm thành phần dung và

và bản chất của đất, xét ảnh hưởng các thành phần dòng trở tản ở tần số thấp Nối đất tản dòng điện sét có các đặc

ất có thể coi là thuần trở và có thể tính toán điện trở nối đất bằng việc xem xét kích thước hình dạng điện

iện trở tản dòng điện xoay chiều (R) được dùng để tính toán

ất làm việc Trong những trường hợp này cường độ dòng điện tản vào đất bé, điện

iện và  điện trở suất của đất), có trị số bé không đạt tới ngưỡng

trở tản ở tần số thấp Nối đất tản dòng điện sét có các đặc các dụng cụ đo điện trở nối đất.

để giảm xác suất phóng điện ngược, độ dốc của đ

Vì thế người ta cần quy định trị số điện trở nối đất

trong vùng điện trở suất lớn ( > 300.m), để đ lớn.

Nhưng do tự cảm của các điện cực rất dài, tổng toán ở tần số thấp Chính vì thế nên tồn tại chiều

THỰC HIỆN NỐI ĐẤT

40mm), chiều dầy không nhỏ hơn 4mm, sắt tròn đường kính không nhỏ bằng kim loại chôn thẳng đứng (cọc) hoặc thanh

ặc hoặc thép hình đảm bảo độ bền cơ khí và chống ăn mòn

nhau với mục đích để có một mạng nối đất đẳng thế, có thể tản dòng

ất thấp đối với các cột điện của các đường dây tải điện.

đạt được điện trở nối đất cột điện bé phải sử dụng các cọc có chiều dài

trở xung kích ở tần số cao có thể lớn hơn rất nhiều so với kết quả tính chiều dài điện cực tới hạn.

điện trở suất của đất

đất là môi trường phức tạp, điện trở suất có thể thay

từ các hạt chất rắn, nước và không khí đất bão hoà n

đầy nước.

điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của

Khi đất bị đóng băng hoặc đất bị hạn hán, điện trở suất t

đất càng ẩm, điện trở suất của nó càng bé

khi có các muối hoặc các axít, tính dẫn điện tăng lên, điện

điện trở suất của đất ở trạng thái khô thường khá ổn định

iện trở suất có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng Về bản chất đất tự nhiên cấu tạo

ất bão hoà nước là trường hợp đặc biệt khi toàn bộ khoảng trống lấp

ất phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của đất, điều kiện khí hậu độ ẩm nhiệt độ

1280 1290 1340 134

0

Nhiệt độ đất E

Thời gian (thá ng)

Bản chất của đất đất tổng hợp ẩm cát sét

đất đá phiến đất sét dẻo đất vôi đất sỏi đất đá phiến mica đất đầm lầy

đất đầm lầy đất bùn đất silicat đất đá granit và cát kết đất mùn

granit và cát kết háu nước đất calcaire mềm

ĐIỆN TRỞ SUẤT TRUNG BÌNH

5-100 50-500 50-300 50 30-40 300-500 800

3 -30 20-100 200-3000 1500-3000 1500-10000 10-150 100-600 100-500

Hệ số mùa

Khi thiết kế hệ thống nối đất phải tính trước hết điện trở suất của vùng

rộng theo nhiệt độ và độ ẩm của đất, theo thành phần và cấu trúc, theo

Trong năm, điều kiện khí hậu thay đổi làm cho nhiệt độ của

theo điện trở suất trong mùa khô khác với điện trở suất trong mùa m

Trong tính toán điện trở nối đất, điện trở suất của đất đư

Hệ số mùa phụ thuộc vào hình dạng điện cực (thanh hoặc cọc), bố trí

và bản chất của đất

và bản chất của đất

Nối đất an toàn và nối đất làm

Cọc thẳng đứng Nối đất chống sét

Thanh nằm ngang

Cọc thẳng đứng

Hệ số mùa lấy giá trị bé nếu đo điện trở suất thực hiện trong

trước khi đo điện trở suất

m s

c  k 



iện trở suất của vùng đất đó điện trở suất thay đổi trong phạm vi rất

ất, theo thành phần và cấu trúc, theo độ sâu và theo mùa

ộ của đất, độ ẩm, thành phần các chất hoà tan của nó thay đổi iện trở suất trong mùa mưa

được nhân với hệ số an toàn gọi là hệ số mùa k ; iện cực (thanh hoặc cọc), bố trí điện cực (nằm ngang hay thẳng đứng), độ chôn sâu

Tính toán điện trở nối đất an toàn

Một số giả thiết

Tính điện trở tản của hệ thống nối đất hình bán cầu chôn sát mặt đất trong vùng đất có điện trở suất  .

đất là thuần nhất có điện trở suất  [.cm]

có một dòng điện bằng Iđ đi vào trong môi trường đ

Dòng điện tản ra từ tâm hình cầu, toả ra theo đường bán kính

Có thể coi trường của dòng điện đi trong đất giống nh

có một dòng điện bằng Iđ đi vào trong môi trường đ

Phương trình điện trường trong đất theo định luật Oh

Dòng điện Iđ đi vào đất gây nên sụt áp trên điện trở nối

dr r

gradU E

r

I r

dr I

d U

A A

12

 phân bố điện áp trên mặt đất có dạng hyperbole

 tại điểm trên mặt của vật nối đất ta sẽ có đ

 càng xa nơi đặt bộ phận nối đất, trị số điện thế càng giảm

 độ dốc của đường cong phân bố điện thế phụ thuộc vào

 điện trở suất của đất càng lớn, đường cong càng thoải và

dr r

I dr J Edr

dr

dU gradU

12

điện trở nối đất của cọc thẳng đứng (dài là

l

d

d

l l

R c ln 4

L K L

R t

.ln 2

2







K : hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối

K : hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối

l t d

l l

R c

4

4 ln 2

1 2 ln

2 



nằm ngang

: hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối đất, phụ thuộc vào hình dạng nối đất thanh

(đường kính d, dài L, chôn sâu t cách mặt đất)

: hệ số hình dạng của thanh hoặc mạch vòng nối đất, phụ thuộc vào hình dạng nối đất thanh

Nếu dùng nhiều cọc hiệu quả của nối đất sẽ giảm nhau của các điện cực

nếu các điện cực nằm gầntrong đất trong vùng nằm

điện áp của mỗi điện cựcđiện I/2 chạy qua và điện

Với hệ gồm hai điện cực như trên, điện trở được xác

giảm so với từng điện cực riêng rẽ do ảnh hưởng lẫn

lớn (điện trường do các dòng điện gây nên được xem làđiện sẽ tản vào đất đồng đều về tất cả các hướng

gần nhau, dòng điện từ điện cực 1 không thể tản vàobên phải đường AB

cực xác định bởi điện áp riêng của mỗi điện cực khi có dòng

áp do điện trường do điện cực bên cạnh gây ra



ởng ngẫu hợp của các điện

a a

R

R R

1 4

22

12

Với một hệ thống nối đất phức tạp gồm n cọcthống nối đất

c b

t c ht

n R

R R R

điện trở nối đất của một cọc bằng thép ống

điện trở nối đất của một cọc bằng thép ống



l

điện trở nối đất của móng trụ bê tông cốt thép

cọc chôn dọc một thanh nằm ngang thì điện trở tản của cảc hệ

t c

t

R



phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ a/l (l là chiều dài cọc)

thu sét độc lập hoặc của cột điện đường dây có thể sử dụng các

l t d

l

4

24ln

thép

Với nối đất chống sét, tính toán nối đất phức

hiện tượng phóng điện trong đất : nếu dòng đ tạo nên một điện trường rất mạnh E=J. sẽ dẫn quanh điện cực nối đất hình thành một vùng phóng trở nối đất giảm

hiện tượng quá độ : dòng điện sét biến thiên gian đầu sóng gây nên điện áp giáng trên điện điện của các phẫn nẵm xa hơn Trong trường hợp

Khi chiều dài hệ thống nối đất không lớn (nối tượng quá độ

Nhưng trong trường hợp hệ thống nối đất rất dài (nối trên

Do ảnh hưởng của yếu tố này hay yếu tố kia (tạo ra vùng phóng cảm), điện trở nối đất khi có dòng điện sét đi qua

trở nối đất xung kích Điện trở nối đất xung kích khác chiều và dòng điện bé

Tỷ số giữa điện trở nối đất xung kích và điện trở nối

phức tạp hơn vì cần phải xét đồng thời 2 quá trình

điện sét đi vào hệ thống nối đất rất lớn, trên bề mặt các điện cực đến quá trình phóng điện trong đất tiếp giáp với điện cực Xung phóng điện tương đương làm tăng kích thước điện cực Do đó điện

rất nhanh, sự tăng rất dôc dòng điện sét trong khoảng thời cảm của nối đất phân bố dài, làm giảm khả năng tản dòng hợp này, điện trở nối đất ngược lại lại tăng

ất không lớn (nối đất tập trung), chúng ta không cần quan tâm đến hiện

ất rất dài (nối đất phân bố) ta phải xem xét cả hai quá trình

ởng của yếu tố này hay yếu tố kia (tạo ra vùng phóng điện hoặc điện áp giáng trên điện

i qua được gọi là điện trở nối đất xung kích hoặc tổng

ất xung kích khác điện trở nối đất ổn định đo ở điện áp xoay

iện trở nối đất được gọi là hệ số xung kích xk

R

Rxk

xk 



đối với các loại

nhất là khi đất có chứa silic thì hoàn toàn ngựoc lại nó đất Hiện tượng này tăng cường thêm khi có dòng điện

đó điện trở tản của hệ thống nối đất

Khi xảy ra phóng điện trong đất, điện trở suất của

sử dụng suy giảm theo biểu thức sau

vào hệ thống nối đất dẫn đến xung quanh điện

số điện trường phóng điện của đất

lập với hiệu ứng điện cảm : hiệu ứng suy giảm chỉ xảy ra nhất trong một số trường hợp nó có thể làm cho thuỷ tinh hoá đất và

nó sẽ hình thành một vỏ bọc cách điện xung quanh điện cực nối

ối với các loại đất cát, đất sét và đất mùn, k thay đổi từ 0,01 đến 0,05

nó sẽ hình thành một vỏ bọc cách điện xung quanh điện cực nối iện ngắn mạch sẽ làm tăng vĩnh viễn điện trở suất của đất và do

của đất nói chung giảm Trong các tính toán cụ thể người ta

quanh điện cực khi xảy ra phóng điện được xem như một vật dẫn

Xét ví dụ điện cực hình bán cầu bán kính R

Đối với dòng điện tăng dần, quá trình phóng điện bắt đ

trị tới hạn E0, nó sẽ phát triển xung quanh điện cực làm kích

Điện trường trong đất có giá trị



xk

R

I t

i

E  



1 2

) (

I I

K I r

dr I

dr E U

R R

Điện trở nối đất xung kích không phụ thuộc vào kích th

sét và điện trở suất của đất, và đặc tính phóng điện của đất

Nối đất tập trung có điện trở nối đất xung kích càng bé

càng lớn

R khi có dòng điện xung kích i(t) đi qua

đầu trước hết ở bề mặt điện cực và khi điện trường bề mặt đạt giá kích thước điện cực tăng đến R khi mà E(R,t)E0

0

KE

arctg K

thước hình học của điện cực, chỉ xác định bởi biên độ dòng điện ất

bé nếu dòng điện sét qua bộ phận nối đất và điện trở suất của đất





I R

TÍNH TOÁN ĐIỆN TRỞ

Sơ đồ tương đương của loại nối đất này nối đ

LpI

điện cảm của thanh nối được tính với giả thiết là dòng đơn vị dài

ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT KHI KHÔNG TRONG ĐẤT

Trị số điện dẫn dài của điện cực (điện trở rò lấy bằng

0 (ln

2 ,

IỆN TRỞ CHỐNG SÉT KÉO DÀI

đất phân bố tham số rải (nối đất kéo dài)

2 , 0 ) 31 ,

r l



Ta thấy rằng tổng trở nối đất xung kích gồm hai thành phần điện trở tản đo ở điện áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian

0

,

) (

) ,

( )

, 0 (

t x

t x xk

l G t

i

t x

u Z







tổng trở nối đất xung kích đầu vào

điện trở tản đo ở điện áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian

T1

2 2

2

2

k k

l G

k

e

T l

iện áp thấp và một thành phần biến thiên theo thời gian

k

e T

n 1, có trị số càng lớn nếu nối đất càng dài và thời gian đầu sóng của dòng

Điện trở nối đất chống sét khi xét đến phóng

 Sự suy giảm điện áp và cường độ dòng điện dọc theo điện ở phía cuối đường dây sẽ càng khó khăn Điện dẫn dài G0 của nối

phóng điện trong đất

iện dọc theo điện cực nối đất làm cho khả năng phóng

n Điện dẫn dài G0 của nối đất không chỉ phụ thuộc vào I

đến phóng điện trong đất vì thế càng phức tạp hơn, và

ịnh ứng với dòng điện xoay chiều và tổng trở xung kích của nối đất iện và tổng trở nối đất khi có xét đến quá trình phóng điện trong

ất với hai giá trị điện trở suất của đất khác nhau

 quá trình phóng điện đã làm giảm tổng trở xung kích của

hệ thống nối đất kéo dài

 Nếu chiều dài điện cực ngắn, thì ảnh hưởng của quá trình

phóng điện trong đất còn có thể được ảnh hư điện cảm của điện cực, khiến cho tổng trở xung kích có thể thấp hơn điện trở tản xoay chiều tần số công nghiệp

ChiÒu dµi tíi h¹n lth(m) 2535 3550

Chiều dài giới hạn của điện cực nối đất thẳng đứng chôn trong

Z imp , R=10kA

Z imp , R=20kA

ã làm giảm tổng trở xung kích của

ởng của quá trình ưởng làm tăng iện cực, khiến cho tổng trở xung kích có thể iện trở tản xoay chiều tần số công nghiệp

ởng của điện cảm tăng xk>1).

ứng chôn trong đất đồng nhất

1000 8.5

xk>1).